具有补气特性的跨临界二氧化碳制冷系统理论研究

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　　根据“蒙特利尔协定”和“京都协议”,由于氟利昂能够破坏大气臭氧层和增加温室效应,将面临全面禁用。CO₂作为天然制冷剂开始被行业所重视,1992年,挪威技术大学Lorentzen教授建立了第一台跨临界CO₂循环汽车空调实验装置。研究结果表明, CO₂系统的制冷系数(COP)值好于CFC12系统,特别是在环境温度高和压缩机转速低的情况下CO₂系统的效率更高,并认为CO₂为汽车空调制冷剂的最终选择[1-3]。Robinson等认为采用膨胀机代替节流阀可以回收膨胀功,提高系统效率[4]。LiDaqing和Groll采用喷射器代替节流阀,使系统COP增加了16%[5]。Cavallini等采用2级压缩中间冷却方式搭建实验台,使系统COP提高了25%[6]。在亚临界制冷循环中,制冷剂在膨胀后成为气液两相流,而其中的蒸气在蒸发器中基本不起吸热作用,因此以具有中间压强气体直接对压缩机进行补气可以提高系统性能。跨临界CO₂制冷系统运行时, CO₂从超临界状态膨胀到亚临界状态也会产生饱和蒸气,因此将其以适当补气压强状态导入压缩机也可以降低压缩机功耗,提高系统效率。亚临界制冷循环中的补气压强介于冷凝压强和蒸发压强之间,而在跨临界CO₂制冷循环中,只有当CO₂进入亚临界状态,气液相才能分开,故补气压强只能介于临界压强和蒸发压强之间。本文就此分析了具有补气特性的跨临界CO₂制冷系统的性能特征,并给出系统优化方案。

　　1　具有补气特性的跨临界CO₂制冷系统

　　具有补气特性的跨临界CO₂制冷系统原理如图1所示,图2为该系统理论循环压焓图。其工作过程如下:状态点2的CO₂制冷剂经气体冷却器放热至状态点3,再通过节流阀降压为具有中间压强,即补气压强的气液两相流,其状态点为4,并进入气液分离器,分离后的饱和气态制冷剂状态点为7,并通过压缩机上的补气孔进入压缩腔,分离后的液态制冷剂状态点为5,经膨胀阀降到蒸发压强,此时状态点为6,然后进入蒸发器制冷,其出口的饱和气态制冷剂的状态点为1,再被吸入压缩机,在压缩至小于补气压强的状态点8时与补进的状态点为7的制冷剂混合,混合后的状态点为9,最后被压缩为状态点2排出。

　　具有补气特性的跨临界CO₂制冷系统与图2中传统的单级蒸气压缩式跨临界理论循环1-2′-3-6′-1相比,具有如下特点:

　　1)减小了通过蒸发器部分制冷剂的干度,增加了其单位质量制冷量,增大了制冷剂侧对流换热系数,在相同系统制冷量时可以减小蒸发器制冷剂侧传热面积;

　　2)在状态点4分离出的气态制冷剂不通过蒸发器,可以减少蒸发器制冷剂侧压力损失;